轴流涡轮转子下游多边界盘腔燃气入侵数值研究_鞠文莹.pdf

书书书测控技术2023 年第 42 卷第 2 期试验与测试收稿日期:2022 07 01基金项目:国家两机专项资助项目(20067/4009)引用格式:鞠文莹，殷林林，李鑫 轴流涡轮转子下游多边界盘腔燃气入侵数值研究 J 测控技术，2023，42(2):24 30JU W Y，YIN L L，LI X Numerical Study on Gas Intrusion in Multi Boundary Disk Cavity Downstream of Axial Flow Turbine o-tor J Measurement Control Technology，2023，42(2):24 30轴流涡轮转子下游多边界盘腔燃气入侵数值研究鞠文莹，殷林林，李鑫(中国航发沈阳发动机研究所，辽宁 沈阳110015)摘要:研究涡轮燃气入侵对发动机性能和可靠性具有重要意义，但现有研究多集中于动叶上游盘腔，需要深化对动叶下游盘腔燃气入侵问题的研究。以某高压涡轮及其下游二次空气系统为研究对象，采用三维定常数值模拟探究了适用于转子下游多边界盘腔燃气入侵仿真方法，分析了不同压比下封严流量和燃气入侵特性，并研究了盘腔内部流动机理。结果表明:采用压力边界条件的仿真结果更符合多边界盘腔流动现实。各封严流量随盘腔进口压力增加而增大，但梯度逐渐减小，轮缘封严达到最小流量后基本呈线性变化，而盘腔内部封严流量趋于稳定。在阻止主流入侵的最小封严流量附近，轮缘封严压力分布难以判断主流是否入侵盘腔内部，而轮缘封严齿间流体温度是判断主流燃气入侵盘腔内部的重要参数。关键词:多边界盘腔;转子下游盘腔;燃气入侵;轮缘封严;涡轮中图分类号:V235 1;TP391 9文献标志码:A文章编号:1000 8829(2023)02 0024 07doi:10 19708/j ckjs 2022 07 284Numerical Study on Gas Intrusion in Multi Boundary Disk CavityDownstream of Axial Flow Turbine otorJU Wen-ying，YIN Lin-lin，LI Xin(AECC Shenyang Engine esearch Institute，Shenyang 110015，China)Abstract:esearch on turbine ingestion is important to engine performance and reliability Most research focu-ses on the upstream disk cavity，but study on the gas ingress in aft-disk cavity is necessary Taking a high pres-sure turbine and downstream secondary air system as the research object，the gas ingress simulation method thatis suitable for aft-disk cavity with multiple boundaries is studied by steady simulation method Sealing flowrate，ingestion characteristics and flow mechanism in the cavity are also analyzed under different pressure ratioThe results show that pressure boundary is more appropriated than mass flow boundary for multiple boundariescavity simulation Sealing flow rate increases with the increase of inlet pressure，but the gradient decreasesgradually After the minimum flow of rim seal is reached，the rim sealing flow changes linearly and the flow ofinner seals tends to be stable basically Near the condition of minimum rim sealing flow，ingestion can be recog-nized by the fluid temperature in the seal rim rather than the vicinal pressure distributionKey words:multiple boundaries disk cavity;aft-disk cavity;gas ingress;rim seal;turbine涡轮作为燃气轮机热端部件，其可靠性和寿命一直是燃气轮机研制关键问题。近年来，随着燃气轮机设计性能的持续提升，涡轮进口温度不断升高，但是轮盘材料的耐热性远低于叶片，而且没有冷却结构和涂42层等热防护措施，高温主流入侵盘腔会给其可靠性和寿命带来严峻挑战。二次空气系统可以将压气机的冷却气流引入到涡轮部件进行冷却保护，高效的轮缘封严可以使用较小流量的冷气抑制高温主流入侵盘腔，在减小轮盘热负荷的同时可避免引起过大的性能损失。研究表明:减少 50%的轮缘密封封严冷气量，涡轮发动机整机效率将提升 0 5%，但只要入侵燃气浓度在盘腔内有一定增加，就会使涡轮盘寿命降低50%1。因此，关于盘腔轮缘封严与燃气入侵领域的持续研究对解决涡轮可靠性问题具有重要意义。对轮缘封严和燃气入侵领域的研究主要集中在流动机理、封严流量、封严效率、结构改进等方面。Owen团队2 3 在轮缘密封领域开展了系列理论和实验研究，将燃气入侵盘腔归为两类:由主流压力周向不均匀形成外环诱导入侵和由动盘旋转泵吸效应导致旋转诱导入侵，并提出用孔板模型处理轮缘密封流量和效率问题的数值解析，证明了用孔板方程预测封严最小流量和效率与试验结果符合性良好。Sangan 团队4 6 通过单级模型透平实验台研究了 4 种轮缘密封结构的燃气入侵特性，给出了径向轮缘密封和双重轮缘密封下的涡轮盘腔内流动图谱。研究表明:径向密封比轴向密封封严效果好;双重轮缘密封能更好地保护盘腔内部，有效抑制燃气向深处侵入;同样的密封结构和冷气量下转子下游轮缘密封具有更高的封严效率。Clark等7 采用实验方法进行研究，表明冷却气射流动量增加可以有效提高轮缘封严效率。Balasubramanian 等8 采用实验方法研究了主流入侵 1 5 级涡轮动叶下游盘腔的流动特性。Popovic等9 采用实验和数值模拟方法通过修改封严结构来提高封严效率，发现盘腔内部形 成 的 回 流 涡 结 构 可 以 很 好 地 阻 止 燃 气 入 侵。OMahoney10、Wang11 分别通过大涡模拟(Large EddySimulation，LES)和全周非定常数值模拟对燃气入侵领域先进数值模拟方法进行研究。国内方面，马宏伟等12 采用实验方法研究了不同动静叶相对位置下盘腔内非定常流场。董伟林等13 采用实验和数值方法研究了旋转效应对盘腔临界流动特性的影响。吴康等14 15 采用实验和数值方法研究了燃气入侵机理和影响因素，指出数值方法在流动预测方面比较准确，但在气体掺混方面预测不足，数值模拟中将盘腔结构划分到转子域时模拟结果更准确。李军1 整理了当前燃气入侵机理并总结轮缘封严效率和结构的设计研究进展，指出目前对轮缘封严和燃气入侵的研究集中于动叶上游盘腔，需要进一步深入对动叶下游盘腔燃气入侵问题的研究。目前，关于轮缘封严和燃气入侵的研究多针对转子上游盘腔，且集中于单进、出口盘腔模型，而实际燃气轮机中涡轮二次空气系统由多个封严共同组成，各封严效率和泄漏量会相互影响，存在对转子下游盘腔和多个进、出口边界的盘腔流动研究不足的问题。本文以某燃气轮机高压涡轮及其转子下游盘腔为研究对象，采用三维数值仿真方法，研究多边界盘腔中燃气入侵数值模拟边界参数设置方法，并分析各工况下盘腔内轮缘封严与主流交互作用和盘腔内部流动特性，加强盘腔仿真研究在工程实际中的应用价值。1研究模型与数值方法1 1研究模型某燃气轮机高、低压涡轮间轮缘封严处出现故障，以某单级高压涡轮及其转子下游盘腔为研究对象，分析盘腔封严流动，模型具体结构如图 1 标红部分所示。盘腔除与主流存在气流交互外，还包括 1 个进口边界、2 个出口边界。封严气通过下游静子下腔室(编号)通气孔进入该盘腔(编号)，对 3 处密封结构形成封严效果:与主流交界处(编号)采用双重轮缘密封(简称封严 A);与下游转子前盘腔(编号)采用双齿蜂窝密封(简称封严 B);与下游转子下方腔室(编号)采用三齿蜂窝密封(简称封严 C)。盘腔进口通气孔(简称盘腔进口)采用等面积环缝结构简化。表1 为高压涡轮叶栅参数。盘腔几何参数如表2 所示。图 1物理模型示意图表 1高压涡轮叶栅参数参数名称展弦比进口几何角出口几何角导向叶片0 61090919 7工作叶片1 19635631 2表 2盘腔几何参数部位间隙高度/mm部位间隙高度/mm盘腔进口0223封严 B0300封严 A0520封严 C01501 2数值方法与网格采用商用软件对研究模型划分结构化网格，涡轮52轴流涡轮转子下游多边界盘腔燃气入侵数值研究出口增加延长段以保证计算准确性，盘腔简化局部导角区域，忽略螺栓结构。盘腔划分在转子域内，与主流交界面处网格数目和节点分布相同，即网格周向、轴向节点完全匹配，以减小插值带来的误差。靠近壁面处进行加密处理，第一层网格高度为 0 005 mm，动叶叶顶间隙为 1%动叶叶高，单通道网格总节点数 552 万，其中，静子网格节点数 40 万，转子网格节点数 91 万，盘腔网格节点数 421。计算域网格示意图如图 2 所示。图 2计算域网格示意图数值模拟采用商用软件求解三维定常雷诺平均N-S 方程，由于盘腔在转子下游，定常仿真交界面数据处理不影响转子内流场对盘腔作用的捕捉。湍流模型采用 SST 模型，第一层网格高度设置 0 005 mm。对流项选用高阶模式，湍流项选用一阶模式，主流道和盘腔内工质均以变比热模拟燃气。壁面设置无滑移绝热边界，周向设置周期性边界条件。动叶叶顶设置反向旋转，以保持上端壁在绝对坐标系保持静止状态。盘腔壁面分为 3 个部分:壁面 1 由高压涡轮转子部件形成，在转子域内相对静止以保持其在绝对坐标系下与高压涡轮转子转速相同;壁面 2 由低压涡轮静子部件形成，设置反向旋转以保持其在绝对坐标系下处于静止状态;壁面 3 由低压涡轮转子部件形成，设置转速以保持其在绝对坐标系下与低压涡轮转子转速相同。数值模拟以速度和压力、流量方程均方根(oot Mean Square，MS)小于 105或小于 104并呈现周期性波动作为收敛判据。1 3边界条件主流进口边界条件设置为总温、总压，并且轴向进气，出口边界条件设置静压。盘腔进口设置总温边界条件和总压或流量边界条件，出口边界设置静压或流量参数控制，以对比分析边界条件的影响，设计工况详细边界条件如表 3 所示。文中压力、温度、质量流量数值均相对盘腔进口截面参数无量纲，即P=PP*0(1)T=TT*0(2)m=mm0(3)式中:P、T、m 分别为压力、温度和质量流量;变量上方的“”表示经过无量纲化的参数;上角标“*”表示滞止参数;下角标“0”表示盘腔进口截面。表 3仿真边界条件参数名称主流进口封严 B 出口封严 C 出口P*37470 7310593T*2185m209 3980 76002272结果分析和讨论2 1盘腔仿真边界条件影响分析燃气轮机常规设计方法中二次空气系统由于体系庞大、